P01. 为那些真正希望好好做设计的人，提供更完整的、系统的、有深度的内容
P02. 关于光谱渲染的四个主题
P03. 光谱渲染是精准的！它模拟了相机和光的方式，无需技巧和后期。其渲染过程将精准地趋于物理正确的结果，并在图像品质和易用性方面都非常出色。
P04. 我是微BIM布道者韩涌，专注环艺设计三十年，对计算机图形学和设计方法的改进及优化非常感兴趣，在这里向设计圈的同行问好，也欢迎行家的指导，说得不对的地方，也请大家批评指正！
P05. 那么，什么是光谱渲染？
P06. 真实世界中的光是“全光谱”与物质表面的进行交互的，但我们的眼睛只能感知到其中的一部分
P07. 这张图很好的解释了——可见光，上面一行是全光谱，因为光的本质是电磁波，黑色的部分是人眼无法感知的【宇宙射线、伽马射线、X光、紫外线、红外线、微波、无线电波……】只有波长在400nm——700nm这个狭窄的范围能被人眼感知，所以，下面一行就是放大后的可见光。
P08. 在计算机图形学中，光谱渲染是一种使用真实波长对场景的光传输进行计算的技术。此过程通常比传统渲染慢，传统渲染以RGB分量渲染场景，然后获得图像。 光谱渲染通常使用光线跟踪或光子贴图，以更准确地模拟光线在场景中的交互，通常用于与实际照片进行比较以测试渲染算法，（如在Cornell Box中），或模拟电磁光谱的不同部分，以达到科学工作的目的。
P09. 光谱渲染还可以更有效地模拟【光源】和【对象】，因为可以使用【光的发射光谱】释放与光谱成比例的、特定波长的光子。 物体的【光谱反射率曲线】可以类似地用于更准确地反射光谱的某些部分。
P10. 光谱渲染，可以发射特定波长的光子与模型的材质表面进行交互，而材质表面也可以根据“光谱反射曲线”，准确的反射光谱中的特定部分。一句话总结：以真实世界的原理解决真实世界的问题。
P11. 那么，如何证明光谱渲染的准确性呢？
P12. 这就不得不提及计算机图形学中著名的——Cornell Box【康奈尔盒子】
P13. Cornell Box【康奈尔盒子】：康奈尔盒子是一个科学实验，是由康奈尔大学计算机图形学计划的辛迪·戈拉尔（Cindy M. Goral），肯尼斯·托伦斯（Kenneth E. Torrance），唐纳德·格林伯格（Donald P. Greenberg）和贝内特·巴塔莱（Bennett Battaile）创建的。
P14. Cornell Box【康奈尔盒子】这个实验——旨在通过比较渲染场景与相同场景的真实照片，来测试渲染软件的准确度。其论文《模拟漫反射表面之间的光的相互作用》发表在1984年1月的《计算机图形学（SIGGRAPH） 》上。
P15. 左侧第一张图像，创建盒子的真实物理模型，并用CCD相机拍摄。然后从场景中测量出精确的设置：光源的发射光谱，所有表面的反射光谱，所有物体，墙壁，光源和摄像机的精确位置和大小。然后，在渲染器中再现相同的三维模型，并将中间这张渲染图像与照片进行比较。 “差异”图像只是一个图像与另一个图像的逐个像素相减。请忽视比较亮的边缘效果，因为这是物理对象和三维模型在实际位置和尺寸之间存在的差异而产生的。因此，观察两张图像的差异，主要看大表面阴影中的一些差异。
P16. 任何人都可以重现这个实验，记得要满足这几个条件……左侧是一个演示，里面放的是“犹他州茶壶”，不要小看这个茶壶，它跟“斯坦福兔子”，在计算机图形学中都具有里程碑意义！这也是为什么3dsMax中会始终保留一个参数化茶壶模型的原因。 右侧的四张图像是康奈尔盒子的历史，它们是——原始的康奈尔盒子（1984），半立方体形状因子（1985）球谐函数和间断网格。
P17. 在所有的康奈尔盒子实验中，对我们最有影响力的是这张，因为之前看到的都是计算机图形学的论文和实验，而这张图，则把图形学的光谱渲染技术普及了……这就大名鼎鼎的Maxwell Render做的实验……从应用软件的角度，Maxwell Render是我首个接触到的光谱渲染器。“使用真实世界的原理来解决真实世界的问题”是我2009年出版的《finalRender应用技法精粹》一书中，介绍Maxwell时引用的一句话。你们注意看图像下面的文字说明，左侧是照片，右侧是渲染图。
P18. Maxwell Render靠这张对比图像，奠定了自己在渲染领域的地位，一举改变了其它渲染器采用RGB颜色空间来计算最终图像的现状。对于光谱渲染器而言，最终渲染的图像中每个像素都能与光谱中相应频率的能量对应，不仅如此，这种光线能量的最终结果，也被设定为照相机底片接受后的结果。也就是说，最终渲染图中的每一个像素，都是不同频率的电磁辐射到达相机底片后的真实结果，这就是为什么“光谱渲染”是可以用来进行最精确的光学模拟的原因。
P19. 希望你们记住，Maxwell在2007（也就是14年前），除了光谱渲染技术，还包含“多重灯光”技术，也就是今年V-Ray 5.0发布后，被当作“网红”的一个功能！当然，今天的主题不是Maxwell Render，而是讲“光谱渲染”，但讲到“光谱渲染”如果不提一下Maxwell Render，是不道德的！14年前是渲染器的领先者，现在依然是，这种实力，值得尊敬！
P20. 光源对感知颜色有何影响？
P21. 光是由光子组成的电磁辐射（EMR），光子以光速在所有方向上呈波状传播。已知的电磁辐射范围，被分为七种类型：伽马射线，X射线，紫外线，可见光，红外，微波和无线电波。 注意了，虽然物理学已经为我们解释了“光”是电磁辐射，但当我们说起“光”的时候，已经特指【可见光】，也就是可以被人眼感知的这个波长范围。那么，人眼是如何感知可见光的呢？
P22. 什么是颜色？关于这个世界中可见颜色的真实性的争论一致在进行。传统的主流理论是，颜色感知是大脑内部发生的一种现象。 当可见光进入眼睛，并被视网膜中称为视锥细胞和视杆的感光器（感光细胞）捕获。当光子到达视锥和视杆时，它们被吸收，它们的能量引起化学反应，产生电化学信号。信号通过视神经传输到大脑的各个部位进行处理。大脑的视觉中心（例如，视觉皮层）将这些信号重构为图像，场景和颜色，从而使我们对身体周围的世界有了感知。 所以，物理世界的物质本身并不包含“颜色”属性，相反，它只是发出，反射或吸收电磁辐射，颜色只发生在心中。
P23. 虽然颜色只发生在心中，但这毕竟还是发生了！那么，如何把人类的主观意识感知的颜色描述出来呢？也就是如何把电磁辐射中的【可见光】转译为我们所感知的颜色？？？ 这就要用到【颜色匹配功能（CMF）】，这里显示了各种颜色匹配功能（CMF）之间的比较，（从左到右）是显示范围380-720 nm，强度从下到上是从0到1。但这个颜色匹配功能谁说了算呢？
P24. 国际照明委员会（简称CIE），在1931年，由威廉·戴维·赖特和约翰·吉尔德将多名（17名）观察员的实验结果合并为CIE RGB颜色空间的规范中，从中得出CIE XYZ颜色空间。 CIE 1931颜色空间，定义了能被生理感知的可见光谱的颜色，定义这些色彩空间的数学关系是色彩管理的重要工具，在处理彩色墨水，照明显示器和数码相机等设备时非常重要！ 左侧为CIE 1931色彩空间色度图：外部弯曲边界是光谱（或单色）轨迹，波长以纳米为单位。右侧是CIE 1976 色彩空间，这两个标准仍然被广泛使用。
P25. 至此，颜色终于完成了它从——电磁辐射到可见光谱、再到RGB颜色空间的转换，不要忽视这个过程，尤其是CIE的色彩空间，我们无论使用数码相机、三维渲染、图像处理，但凡需要处理颜色的时候，系统内部都会跟这个CIE校准…… 当然，也包括我们室内设计师和照明设计师最需要了解的光源。
P26. 不同的光源如何影响我们对颜色的感知？ 可见光源并非都具有相同的功能，并且它们照明和渲染对象颜色的能力会有所不同。室内设计师和照明设计师对标有“暖白”，“天然白”，“日白”和“冷白”等字样的灯泡应该很熟悉。 这些描述是指光源发出的光的颜色。“温热”灯（例如，白炽灯和卤素灯）趋向红外光谱，并发出橙黄色。“冷却器”灯（例如CFL和LED）趋向于紫外光谱并发出蓝色。
P27. 我们使用以【开尔文】表示的相关色温（CCT）比例来定义光的颜色，也就是用色温来描述光色。其范围是基于【黑体辐射】研究的“相关”温度。 太阳被作为理想的黑体辐射的参考标准，因为它是我们太阳系中的主要光源。（如果您想了解相关色温标尺的历史和发展，可以研究黑体辐射和普朗克定律。）
P28. 基于普朗克定律，列出了不同的光源和相应的色温范围，CCT是相关色温 上面，是自然光源，下面，是人工光源，中间，是不同色温对应CIE 1931颜色空间的刻度。
P29. 影响准确显色的第二个因素是光源在其【相关色温（CCT）】处的光谱功率分布（SPD）。什么是光谱功率分布呢？北美照明工程协会（IESNA）对SPD的正式定义是：“光源在电磁波谱的可见光区域（360至770）的每个波长或波长带上发出的辐射功率的曲线”）。注意，一件重要的事实，灯光发出的能量是与可见光谱对应的，在某些波长区域的能量决定了光源的显色性。这就是为什么美术馆、展馆、博物馆、商业橱窗的照明设计，对光源的显色性有很严格的要求。因为同样的材料，卤素灯照射的效果最接近日光，如果是荧光灯，那就是一片惨绿！在图中显示的6个光源的光谱功率分布中，日光的可见光谱分布最为完整、平均……荧光灯的显色性最差……注意，水平轴对应的是波长，特定波长的SPD值越低，对应的颜色显示就越差。为了在实际应用场景中简化光谱功率分布（SPD），于是另一个使用广泛的指标被推出来了——这就是【显色指数】
P30. 显色指数（CRI），用于量化给定光源的SPD。（全光谱指数（FSI），全光谱色彩指数（FSCI）和色域区域（GA）是其他显色指标。） CRI是使用0到100的标度进行测量的，数字越高代表显色能力越强。采样了14种测试颜色，标记为R1至R14。将R1到R8的结果之和求平均，该值成为光的CRI。从R9到R14的测试色是补充色，建议将其包括在等级标准中，但从未正式添加。 但是，大多数灯具制造商会测试这些其他颜色，并将结果包括在他们的产品销售资料中。
P31. 这是埃及历史上最神秘的女性，受法老宠爱的神秘泰雅王后，但我要展示的并不是她，而是，背后的色块！到现在，应该明白背后这些色块的意义了，就是用来测试灯光显色指数的。 中午的直射阳光等级为CRI100。光源应具有90或更高的CRI，才能被认为具有精确的显色性。而高CRI光源通常被称为“全光谱”灯。
P32. 影响显色性的第三个因素是照度，也称为落在物体表面上的光强度，表示为“勒克斯”……或“英尺烛光”值。（1英尺烛光= 10.764 lux） 1941年，荷兰研究人员阿里·克鲁特霍夫（Arie Kruithof）发布了一张图表（Kruithof曲线），该图表说明了色温，光强度和 “令人愉悦”的光源之间的关系。
P33. 简单的做一个小结，光源对感知颜色的影响有三个重要的因素——相关色温、显色指数和光照强度
P34. 为什么只有【光谱渲染】技术，才能准确还原【可见光谱】中全部颜色的原因，也是【光谱渲染器】有别于【其它渲染器】的核心价值所在！！！ 如果你的设计对光源和颜色有着更专业的要求，并希望在实际建成后，渲染图与真实现场接近一致的话，选择光谱渲染器一定是明智的！
P35. 光谱渲染器与其它渲染的区别
P36. 现在的技术已经允许对照明工程和材料可视化进行面向光学的精准模拟，以实现更好的、复杂的、有深度的光学仿真。 与其它渲染器的解决方案不同，光谱渲染器——由工程师为工程师开发，并且依赖于科学算法，用真实世界的原理解决真实世界的问题。 因此，选择一个可以在你常用的设计软件里运行的光谱渲染器，就可以获得与真实世界相匹配的照明模拟和预测性图像。
P37. 再次回顾维基百科对光谱渲染器的定义，尤其是最后一句，说明光谱渲染器的精准度是可以满足——科学工作的目的。
P38. 当具有已知光谱的光束撞击表面时，在给定方向上计算反射光的光谱非常简单。 我们需要知道表面的反射光谱，并将其波长乘以入射光谱。从物理上讲，这是完全正确的，而且相当简单。 这就是现在所有的光仿真软件中，计算【光线与表面】交互作用的方式。
P39. 那么，既然光谱渲染有这么明显的优势，那为什么很多设计师并没有认识到这些优势，也没有流行起来呢？
P40. 现在大多数主流的渲染器却不进行光谱计算，而使用基于人眼感知光的方式，使用简化的光分解算法。 之所以这样，一方面是因为计算机图形技术发展的早期，受计算机计算能力的影响，虽然光谱的计算方式上世纪80年代就出现在论文里，但在计算机应用领域，却直到2005年后才有采用光谱渲染技术的软件出现。 而在这之前，计算机图形学的渲染技术，最早涉足的是电视媒体、游戏娱乐、影视动画和可视化领域，这些领域的图形学是基于传统美术色彩学的，而传统美术色彩是从三原色开始讲的
P41. 由于仅使用三个数字（称为三刺激值），就可以代表人眼可见的任何颜色。因此，图像渲染器也只使用三个值，例如红色，绿色和蓝色（RGB），而不是计算和存储每个波长的光强度，这样既节省了计算时间，又节省了内存。 也就是说，一开始虽然受限于计算机运算能力的限制，但有了大量的用户基数之后，考虑更快的渲染效率，更低的渲染成本，以及对旧版本文件的兼容性，最明智的做法就是继续沿用过去的技术！ 但技术自身却不会停止前进的脚步，就像在汽车工业中，电池必将取代燃油发动机，但电池汽车开始量产的时间点，包括宝马在内的大牌厂家，不都是在观望中谨慎的抉择吗？ 只有那些没有过去包袱、轻装上阵的品牌，比如特斯拉，才是改变一个时代的真正力量！
P42. 但是，我们也必须认识到，，基于RGB色彩空间的图像渲染器，在物理上是不正确的。
P43. 虽然，仅使用三个数字就可以充分描述照射到视网膜上的光色。但是，由于材料具有独特的光谱响应，因此无法与任意表面进行光的交互，并且，无法仅通过三个颜色通道来描述。 因此，为了提供完全正确的比色结果，所有光线传播在过程中，也就是光线与材质表面的交互作用，这些都应该根据波长来计算。
P44. 当交互影响的最终光谱到达摄像机之后，也就是在计算的最后一步，才转换为三刺激值。 简而言之，光谱渲染器的最终图像呈现，虽然也是符合CIE颜色空间的RGB值的，但光线从光源发出，并于表面的交互过程，都是以波长和光谱能量进行计算的。
P45. 这张图说明了光散射的原理，该原理适用于由白色D65光束照射的玻璃棱镜产生颜色分离的效果。 简单解释一下色散的基本原理：当光进入透明的折射材料（例如玻璃，钻石或水）时，其方向会改变，这种现象称为折射。 折射射线的方向取决于材料的折射率，折射率本身通常随波长而变化，这意味着每个波长的光线在折射时，将被表面重新定向，这导致光线的光谱分解，这就是著名的白光分解为七色光谱。
P46. 现在，用两个视觉上相同颜色的橙色光源，代替之前的白色光源，右下角显示了这两个橙色光的波长是不同的。 这样的结果在物理上是正确的，但它们却无法使用基于RGB的图像渲染器获得。因为两个橙色光源具有相同的RGB值，（橙色的RGB=1，0.5，0）。 因此，即使在计算棱镜上的折射之前，基于RGB的其它渲染器不会在两个光源之间产生差异，渲染的结果也会是相同的。 这个示例作为光源的同色异谱，只有使用光谱渲染器才能渲染出正确的图像。
P47. 在这个示例中，解析材料的同色异谱现象。先解释一下同色异谱，被物体反射的光的光谱等于光源光谱与表面反射光谱的乘积。 对于光源，具有不同反射光谱的两个物体，可以在相同颜色光源的照射下反射不同的光谱。因此，就会出现，在某种光源下，它们看起来很相似，但是，在另一种光源下，材料的颜色会发生变化，而且物体可能看起来也不同。 上面的四张图，两个球体的颜色完全相同，但光源的颜色不同，看起来圆球的颜色也出现了差异。 D65光源：第一张在D65光源照亮的灯箱中，有两个由朗伯散射材料制成的球体。材质的反射光谱不同。但是，它们在D65光源下具有相同的表观光谱，它们是同色异谱的材料。 Dayligh荧光灯光源：第二张光源变成了荧光灯管的光，注意到，两个球体略有不同：右侧的球体更红，而左侧的球体更亮，荧光灯管在其光谱中具有发射峰值，明显改变了物体的显色性。 500K蜡烛灯光源：第三张图片是使用1500K光源渲染的，类似于火焰。左侧球体现在更红色，而右侧球体更橙色。这表明可以通过改变光源来反转两个物体之间的相对色差。 Na蒸气光源：钠蒸气放电灯的发射光谱作为光源，左侧球体的材料的反射率下降了590nm左右，它看起来很暗，而右侧球体看起来很亮。
P48. 这就是为什么精准的光学计算，必须基于全光谱进行计算的原因。 通过简单的示例，我们知道其它基于RGB的图像渲染器在物理上并不正确，也无法提供可靠的结果。也无法获得可靠的比色预测。 使用光谱渲染器，可以准确预测对象的色度。只需要处理表面和光源的光谱数据。
P49. 通过在光谱上描述光源和材料，并且模拟工具必须在最后一步将到达摄影机的光谱值转换为RGB值。这样，就可以看到科学精准的图像效果。
P50. 光谱渲染器可以生成诸如镀膜玻璃之类的复杂材料的准确图像，这使得它成为建筑设计的有趣工具。 在这个示例中，是从真实建筑物中汲取灵感的玻璃幕墙渲染图，以比较四种不同的玻璃，双层玻璃的厚度均为6mm，间距16mm。从左到右是：蓝色浮法玻璃，透明浮法玻璃，遮光涂层低辐射玻璃A，遮光涂层低辐射玻璃B 在玻璃板上施加了一些类似回火的变形和热弯曲。照明对应于阴天，并基于真实的半球形天空图片。 该渲染计算是基于光谱的，并考虑了光的偏振和玻璃材料对光的过滤，所以，建筑物内部的照明是完全正确的。
P51. 在这个简单的日光照明示例中，演示了光谱渲染器用于照明设计的广泛可能性。 阳光透过双层玻璃窗直射进入房间并照射第一张桌子，而另一张桌子则放在房间的较暗区域。墙壁和天花板上覆盖着白色涂料，其反照率为0.75。地板由光滑的混凝土制成。太阳高程为57°，而其方位角与窗户方向成45°，因此入射角约为54°。 上图：第一张桌面的照度约为17000 lx。对于长期在计算机显示器上舒适地阅读的亮度（约2500 lx的发射）而言，这太亮了。第二张桌面的照度约为460 lx。虽然这接近于阅读标准（500 lx），但房间的高对比度将非常不舒适，如果用户看第一张桌子，他需要几秒钟才能适应。 为了解决这个问题，在窗口中添加反射叶片，将阳光重定向到天花板。反射叶片的材料是光滑的镜面不锈钢，位于双层玻璃间隔内。它们的宽度为16毫米，与窗户一样长。在此场景中以零厚度对它们进行建模，将它们每隔15毫米垂直放置在窗户内。底面（朝下）涂有黑色油漆，以避免双重反射，这会降低光重定向的效率。
P52. 左侧的图是我做的一个三棱镜分解白光的模拟示例，使用的渲染器是Thea for SketchUp，第一次做，唯一的参考就是【以真实世界的原理解决真实世界的问题】，难点并不在三棱镜如何分解白光为七色彩虹，因为这是渲染器内部的算法，打开玻璃材质的色散就能实现。真正的难点是如何获得【一束】白光？你很难在渲染器提供的灯光中找产生类似激光的平行光束，当然，在光谱渲染器【以真实世界的原理解决真实世界的问题】的指引下，我很快搞定了这个问题。这个模型我将放到自己的网站vbim.top上公开下载，如果你对光谱渲染感兴趣，可以到网站自己下载测试。
P53. 如果想在第一时间看到我分享的讲座或公开课，可以关注“草图邦”微信公众号，让我们共同进步——开启设计师的第五项修炼！
P54. 我有责任和能力，弥补因大数据忽视经典，知识碎片化和技能颗粒化造成的，对整个计算机图形学和应用领域的“伤害”，为那些真正希望好好做设计的人，提供更完整的、系统的、有深度的内容。我的目的，不是要否定什么，而是，为这个多元化的世界增加更多的可能性！
